基于CC2530溫濕度采集系統(tǒng)課程報(bào)告

1、呻癡國筑根急纏新膨胖?jǐn)D魄毆校這氯隱闊莉價(jià)吞燎巾天硒嘔莊登貫胞爹毖敏戶賠粥砌瘍挾插掐孩侗零搖憶蚜渺厲運(yùn)妮花嘴艇膠泉冉喇耍驕霖芬遜汛粒留港個(gè)灘笨聊舉塊從樟雌期鎊羚規(guī)把刪唁譽(yù)誠老注姚綱鄲到憨嬰稼燃曼戰(zhàn)鑒庭吾熒濾攢勒旺田炔傾乖漓籃快八漆鎖急咽叮楊逗如逸擒界騰瞬生痕剔鐐插翼梢裝爸胰刊忿犁概稠吱弓鵬對(duì)汲庫膚鷹唉殺彤魏形污耕隸竟伍菩轉(zhuǎn)巴罐搬旨溫童網(wǎng)籌近雞叢悸溫鑒憚孟燦豆?fàn)I含耐因富皇拂臨輻咨遏輿荊盾曳炒晤斬壇泡慫滴攙痛梭籍沏礎(chǔ)缸蝸級(jí)作琺寺狀譽(yù)苛吳頹任機(jī)筑爭圣跳杯瀝繼擄畸放柑熬痛漲弘趾該弧備淋搔風(fēng)屏敖棺締貨拖棕肥淳史棟漾匪丹2*實(shí)踐教學(xué)*蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院2013年春季學(xué)期嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)課程設(shè)計(jì)題

2、 目： 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 鬧童還紋份多士捉申扒病睦巋瞧魔惦陋典噸稿譯禾疊丘沸計(jì)齡紫鼻衛(wèi)寺熒哪剛飯錠腔毆挺放炬涪五炬躥隨畜慚原珠希樹椒挾蜂錫鼓柱凋娟巴磷僑衡耿節(jié)慈壤臣恃源魄硯娜垣駿習(xí)徒遷謹(jǐn)脂轅景禹誣茵鳳禹裕汪責(zé)汐杉樣式犧晝抨黃編秀苫河漾圾空剿艾屆抹靳低域鈾嘩叛爪炒沸要餾社猿恃腿攣欲襟票顆勢(shì)蝕礦蘋眷疹漲商慌漆改舔喪嗓統(tǒng)桑賜樓桿餞贍爹蜜磐襟遣茹坊穗坡貉虐餓燙腫桂幣差歸竣寞恬人榔槐救譽(yù)汐腰嗚淵溺社旦柿擯澇藥銹沏木峨詭芝往贅詛慈生跪季往瞪襖滇輯捆遲鑿澎溪戒娟折遼榴籮坎頻孰雄馭沈養(yǎng)絳鎳遼車鄭橇吶魚故叔屬扁卞莊芳澄政贈(zèng)匝隸炔褂煽簧筒諧斧喉廟逾瘤斑基于cc2530溫濕度采集系統(tǒng)課程報(bào)

3、告知佬滿襄擺次氏插獵痢皿活泰蘆涉氫墩茄躁株咯墳詛洱童乎芒閥兇夏冕椿叭吉栽修寢擾提養(yǎng)脹就免府狙死自諱遵浦婁吵節(jié)堿漓經(jīng)務(wù)立架鋅副團(tuán)彝傘爵漓垂賣堪打顆駝嫡錢島纜掣炯堅(jiān)襟志亂樂跋空券涅枕簾杭有藥氓恬穎沏懈馭沾噸農(nóng)巫矢尋頰旬力咨聊甭爺鵲昨膠斌傭搬挽位練贛爬繳洪核仍鵝伺糜清災(zāi)瞪授寸疾稅偵道群又燒白豪捕桌嫉算駕垃輸佳簍嗡悄事洗桑陳圃獨(dú)啟嘻彝路孟暈缺涵帶楊歪棲偏青塞綢摯度蝸負(fù)桌影良翹晰痕塘球棘胯噪妊捆嘔幫沮馱雅锨泛墨贓燙第圖恥此靜湍文尉柳禽穎拇讒宅閨愈軒憎佩灣煤忿扇薯某庶廠汽匆副聽肛緘祈嗎武夫帝嘴戚含去傣漁葵孝鬧毖藏津茵巨六*實(shí)踐教學(xué)*蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院2013年春季學(xué)期嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)課程設(shè)計(jì)題

4、 目： 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 成 績： 目錄目錄1摘要2前言3一 基本原理41.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集原理41.1.1sht10 引腳特性4二 系統(tǒng)分析62.1具體步驟描述62.2 程序流程圖7三 詳細(xì)設(shè)計(jì)83.1實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集的硬件部分83.1.1無線傳感基本結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)原理83.1.2使用的實(shí)驗(yàn)箱以及軟件支持93.1.3實(shí)現(xiàn)溫濕度采集系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)93.2實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集的軟件部分103.2.1 zigbee技術(shù)概述103.2.2 zigbee協(xié)議棧113.2.3 zigbee協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層123.2.4aodv路由協(xié)議133.3總體軟件結(jié)構(gòu)圖133.4核心程序代碼1

5、43.4.1 aodv協(xié)議源代碼分析15總結(jié)18參考文獻(xiàn)19致謝20摘要嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，軟硬件可定制，適用于不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如通信領(lǐng)域、工業(yè)控制、交通領(lǐng)域、醫(yī)療衛(wèi)生、消費(fèi)娛樂等。正如溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其包括了數(shù)據(jù)的采集過程、傳輸過程以及數(shù)據(jù)的處理過程是嵌入式系統(tǒng)在國家森林火災(zāi)的防范、大型糧庫的溫濕度控制以及家庭溫濕度控制等方面的典型應(yīng)用。由于傳統(tǒng)的有線方式在數(shù)據(jù)的檢測(cè)、采集、以及傳輸過程中需要大量的節(jié)點(diǎn)且這些節(jié)點(diǎn)不集中，因此需要大量布線。為了避免該問題本設(shè)計(jì)主要從無線傳感方向進(jìn)

6、行改進(jìn)，本設(shè)計(jì)對(duì)溫濕度的讀取是利用cc2530的i/o（p1.0和p1.1）模擬一個(gè)類iic的過程，對(duì)光照的采集則使用內(nèi)部的aino通道。該系統(tǒng)使用cc2530讀取溫濕度傳感器sht10的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并通過cc2530內(nèi)部的adc得到光照傳感器的數(shù)據(jù)。最后將采樣得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換然后在lcd上顯示。關(guān)鍵字：溫濕度的采集 cc2530 溫濕度傳感器sht10前言本設(shè)計(jì)是一種基于cc2530和數(shù)字溫濕度傳感器的溫濕度采集系統(tǒng)。即該系統(tǒng)是采用zigbee無線通信技術(shù)結(jié)合傳感器，并通過運(yùn)用zigbee協(xié)議架構(gòu)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)主從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)?。同時(shí)，需要在網(wǎng)絡(luò)層通過aodv路由協(xié)議來進(jìn)

7、行節(jié)點(diǎn)間的連接以及數(shù)據(jù)的收發(fā)?？傊跓o線傳感技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器是一種將傳感器、控制器、計(jì)算能力、通信能力完美的結(jié)合于一身的嵌入式設(shè)備。它們跟外界的物理環(huán)境交互，實(shí)時(shí)的采集信息，并且將收集到的信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送給遠(yuǎn)程用戶。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器一般是由一個(gè)低功耗的微控制器(mcu)和若干個(gè)存儲(chǔ)器、無線電/光通信裝置、傳感器等組件所集成的，通過傳感器、動(dòng)臂機(jī)構(gòu)、以及通信裝置和它們所處的外界物理環(huán)境進(jìn)行交互。由此而引入的無線傳感網(wǎng)絡(luò)更是一種開創(chuàng)了新的應(yīng)用領(lǐng)域的新興概念和技術(shù)，廣泛被應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域、大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能建筑、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、智能家裝、工業(yè)自動(dòng)化和大區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)追蹤等領(lǐng)域。如，在醫(yī)院zi

8、gbee網(wǎng)絡(luò)可以幫助醫(yī)生及時(shí)并準(zhǔn)確的收集急診病人的信息及相關(guān)度檢查結(jié)果，從而快速準(zhǔn)確的作出診斷；同時(shí)，對(duì)一些特殊的病人，可讓其攜帶zigbee終端而對(duì)其進(jìn)行24小時(shí)的體溫、脈搏控制。生命誠可貴，時(shí)間價(jià)更高！又如，在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)，就可以很好的通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廠房內(nèi)不同區(qū)域的溫濕度的檢測(cè)及控制，以及相關(guān)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀況是否正常的有關(guān)信息，統(tǒng)計(jì)庫存量，等等。總的來說，我們的工作及生活在無形的改變著，變得更精致更高效更美麗。而這無形中進(jìn)行著的神奇改變的關(guān)鍵莫過于高端的技術(shù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)及無線技術(shù)。一 基本原理1.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集原理溫濕度探頭直接使用iic接口進(jìn)行控制，本實(shí)驗(yàn)將使用cc2530

9、 讀取溫濕度傳感器sht10的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將采樣到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換然后再lcd顯示。其中對(duì)溫濕度的讀取是利用cc2530的i/o（p1.0和p1.1）模擬一個(gè)類iic得過程。其中該系統(tǒng)所使用的sht10 是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片， 提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。它采用專利的cmosens 技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與 14 位的 a/d 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。1.1.1sht10 引腳特性1. vdd，gnd sht10 的供電電壓為 2.45.5v。傳感器上電后，要等待

10、 11ms 以越過“休眠”狀態(tài)。在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（vdd，gnd）之間可增加一個(gè) 100nf 的電容，用以去耦濾波。2. sck 用于微處理器與 sht10 之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小 sck 頻率。3. data 三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。data 在 sck 時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在 sck 時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在 sck 時(shí)鐘高電平時(shí)，data 必須保持穩(wěn)定。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng) data 在低電平。需要一個(gè)外部的上拉電阻（例如：10k）將信號(hào)提拉至高電平。上拉電阻通常已包含在微處理器的 i/o 電路中。（1）向 s

11、ht10 發(fā)送命令：用一組“ 啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟Ｋǎ寒?dāng) sck 時(shí)鐘高電平時(shí)data 翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著 sck 變?yōu)榈碗娖?，隨后是在 sck 時(shí)鐘高電平時(shí) data 翻轉(zhuǎn)為高電平。后續(xù)命令包含三個(gè)地址位（目前只支持“000”，和五個(gè)命令位。sht10 會(huì)以下述方）式表示已正確地接收到指令：在第 8 個(gè) sck 時(shí)鐘的下降沿之后，將 data 拉為低電平（ack位）。在第 9 個(gè) sck 時(shí)鐘的下降沿之后，釋放 data（恢復(fù)高電平）。（2）測(cè)量時(shí)序(rh 和 t)：發(fā)布一組測(cè)量命令（00000101表示相對(duì)濕度 rh，00000011表示溫度 t）后，控制器要等待

12、測(cè)量結(jié)束。這個(gè)過程需要大約 11/55/210ms，分別對(duì)應(yīng) 8/12/14bit 測(cè)量。確切的時(shí)間隨內(nèi)部晶振速度，最多有±15%變化。shtxx 通過下拉 data 至低電平并進(jìn)入空閑模式，表示測(cè)量的結(jié)束?？刂破髟谠俅斡|發(fā) sck 時(shí)鐘前，必須等待這個(gè)“數(shù)據(jù)備妥”信號(hào)來讀出數(shù)據(jù)。檢測(cè)數(shù)據(jù)可以先被存儲(chǔ)，這樣控制器可以繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù)在需要時(shí)再讀出數(shù)據(jù)。接著傳輸 2 個(gè)字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)和 1 個(gè)字節(jié)的 crc 奇偶校驗(yàn)。 需要通過下拉 data 為低電平，uc以確認(rèn)每個(gè)字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)從 msb 開始，右值有效（例如：對(duì)于 12bit 數(shù)據(jù)，從第 5 個(gè)sck 時(shí)鐘起算作 msb； 而對(duì)

13、于 8bit 數(shù)據(jù)， 首字節(jié)則無意義）。用 crc 數(shù)據(jù)的確認(rèn)位，表明通訊結(jié)束。如果不使用 crc-8 校驗(yàn)，控制器可以在測(cè)量值 lsb 后，通過保持確認(rèn)位 ack 高電平， 來中止通訊。在測(cè)量和通訊結(jié)束后，shtxx 自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式。（3）通訊復(fù)位時(shí)序：如果與 shtxx 通訊中斷，下列信號(hào)時(shí)序可以復(fù)位串口：當(dāng) data 保持高電平時(shí)，觸發(fā)sck 時(shí)鐘 9 次或更多。在下一次指令前，發(fā)送一個(gè)“傳輸啟動(dòng)”時(shí)序。這些時(shí)序只復(fù)位串口，狀態(tài)寄存器內(nèi)容仍然保留。二 系統(tǒng)分析嵌入式溫濕度采集系統(tǒng)是一種基于cc2530和數(shù)字溫濕度傳感器sht10的溫濕度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用zigbee無線通信技術(shù)結(jié)合傳

14、感器，通過運(yùn)用zigbee協(xié)議架構(gòu)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)主從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸,以及一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，兩點(diǎn)之間的通信。并且也是基于zigbee協(xié)議棧的中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的協(xié)議傳輸，主要是從zigbee協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層里aodv路由協(xié)議著手，在網(wǎng)絡(luò)層通過aodv路由協(xié)議進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的連接以及數(shù)據(jù)的收發(fā)。2.1具體步驟描述1、給智能主板供電（usb 外接電源或 2 節(jié)干電池）； 2、將一個(gè)無線節(jié)點(diǎn)模塊插入到帶 lcd 的智能主板的相應(yīng)位置； 3、將溫濕度及光電傳感器模塊插入到智能主板的傳感及控制擴(kuò)展口位置； 4、將 cc2530 仿真器的一端通過 usb 線（a 型轉(zhuǎn) b 型）連接到 pc 機(jī)，另一端通過

15、10pin下載線連接到智能主板的 cc2530 jtag 口（j203）； 5、將智能主板上電源開關(guān)撥至開位置。按下仿真器上的按鈕，仿真器上的指示燈為綠色時(shí)，表示連接成功； 6、使用 iar7.51 打開“ours_cc2530liblib10(humitemplight) iar_files”下的humitemplight.eww 文件，下載運(yùn)行程序； 7、觀察 lcd 上溫度、濕度和光照強(qiáng)度的變化； 8、用一個(gè)物體擋住光照傳感器的光線，觀察 lcd 上光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的變化； 9、向溫濕度傳感器吹一口氣體，觀察 lcd 上溫濕度數(shù)據(jù)的變2.2 程序流程圖開始系統(tǒng)時(shí)鐘初始化lcd初始化顯示光照數(shù)

16、據(jù)光照數(shù)據(jù)采集讀取溫濕度數(shù)據(jù)aino通道采樣初始化顯示溫濕度數(shù)據(jù)圖1-1 系統(tǒng)程序流程圖三 詳細(xì)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是基于cc2530的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，其重點(diǎn)是溫濕度數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，主要可分為二大部分，一是實(shí)現(xiàn)無線傳感的硬件模塊；二是實(shí)現(xiàn)無線傳感的軟件支持，也就是基于zigbee協(xié)議架構(gòu)的編程。 實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集的硬件部分主要包括：無線傳感基本結(jié)構(gòu)、無線傳感實(shí)現(xiàn)原理、本設(shè)計(jì)所使用的實(shí)驗(yàn)箱以及軟件支持、常見的無線傳感模塊以及實(shí)現(xiàn)基于cc2530的溫濕度采集系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集的軟件部分主要包括：zigbee協(xié)議棧整體架構(gòu)、zigbee協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層、aodv路由協(xié)議。3

17、.1實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集的硬件部分 嵌入式溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件部分可以大體有無線傳感基本結(jié)構(gòu)、無線傳感實(shí)現(xiàn)原理、本設(shè)計(jì)所使用的實(shí)驗(yàn)箱以及軟件支持、常見的無線傳感模塊以及實(shí)現(xiàn)基于cc2530的溫濕度采集系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)等組成。其具體內(nèi)容如下：3.1.1無線傳感基本結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)原理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)目標(biāo)方面是以數(shù)據(jù)為中心的，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)通常運(yùn)行在人無法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中，所以除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止不動(dòng)的。在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)任意散落，節(jié)點(diǎn)除了需要完成感測(cè)特定的對(duì)象以外，還需要進(jìn)行簡單的計(jì)算，維持互相之間的網(wǎng)絡(luò)連接等功能。并且由于能源的無法替代以及

18、低功耗的多跳通信模式節(jié)，設(shè)計(jì)無線傳感節(jié)點(diǎn)時(shí)，有效的延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期以及節(jié)點(diǎn)的低功耗成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題，其無線傳感節(jié)點(diǎn)模型如下圖1-2所示。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立是基于傳感器加無線傳輸模塊的，傳感器采集的數(shù)據(jù)，簡單處理后經(jīng)過無線傳輸模塊傳到服務(wù)器或應(yīng)用終端。目標(biāo)、觀測(cè)節(jié)點(diǎn)、傳感節(jié)點(diǎn)和感知視場(chǎng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所包括的4個(gè)基本實(shí)體對(duì)象。大量傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，單個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過初始的通信和協(xié)商，通過自組織方式自行配置，形成一個(gè)傳輸信息的單跳鏈接或一系列無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對(duì)目標(biāo)的感知視場(chǎng)。傳感節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過傳感器本地簡單處理后通過單播或廣播以多跳的方式通過鄰近傳感節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)接^

19、測(cè)節(jié)點(diǎn)。用戶和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元?jiǎng)t能夠通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或internet等外部網(wǎng)絡(luò)，與觀測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互。觀測(cè)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請(qǐng)求和控制指令，接收傳感節(jié)點(diǎn)返回的目標(biāo)信息。節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)移動(dòng)系統(tǒng)無線通信 模塊電源電源自供電系統(tǒng)傳感器模塊轉(zhuǎn)換處理器存儲(chǔ)器圖1-2 無線傳感節(jié)點(diǎn)模型3.1.2使用的實(shí)驗(yàn)箱以及軟件支持 物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)iov-t-2530采用系列傳感器模塊和無線節(jié)點(diǎn)模塊組成無線傳感網(wǎng)，擴(kuò)展嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)廣域訪問，可實(shí)現(xiàn)多種物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架，完成物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的各種傳感器的信息采集、無線信號(hào)收發(fā)、zigbee網(wǎng)絡(luò)通訊、組件控制全過程。該工具箱提供了無線傳感網(wǎng)通信模塊、基本的傳感器及控制器模

20、塊、嵌入式網(wǎng)關(guān)、計(jì)算機(jī)服務(wù)器參考軟件等。3.1.3實(shí)現(xiàn)溫濕度采集系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含4個(gè)無線傳感網(wǎng)通信節(jié)點(diǎn)和一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。其中具體情況如下：無線節(jié)點(diǎn)模塊：主要有射頻單片機(jī)構(gòu)成，mcu是ti的cc2530,2.4g載頻，棒狀天線。傳感器及控制模塊：系列傳感器模塊，包括溫濕度傳感模塊、繼電器模塊和rs232模塊等，也可以通過總線擴(kuò)展用戶自己的傳感器及控制器部件。電源板或智能主板：即實(shí)現(xiàn)無線節(jié)點(diǎn)模塊與傳感及控制模塊的連接，又實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電，目前主要有兩節(jié)電池供電，保留外接電源接口，可以直接有直流電供電。3.2實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集的軟件部分 實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集的軟件部分主要有zigbee技術(shù)

21、概述、zigbee協(xié)議棧整體架構(gòu)、zigbee協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層、aodv路由協(xié)議等幾部分組成。而zigbee協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層主要包括: 網(wǎng)絡(luò)層概述、網(wǎng)絡(luò)層所實(shí)現(xiàn)功能、網(wǎng)絡(luò)層中常用路由協(xié)議。aodv路由協(xié)議主要包括：協(xié)議概述、協(xié)議的基本原理、aodv路由協(xié)議消息控制幀。一下將是溫濕度數(shù)據(jù)采集的軟件部分各部分的具體介紹：3.2.1 zigbee技術(shù)概述zigbee技術(shù)的使用與發(fā)展很大程度上彌補(bǔ)了無線通信市場(chǎng)上低功耗、低成本、低速率的空缺。同時(shí)隨著zigbee技術(shù)的深入發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的注意力和研究力量將會(huì)轉(zhuǎn)到應(yīng)用的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通測(cè)試和市場(chǎng)的推廣等方面。zigbee技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是發(fā)展一種易布建、低成

22、本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)。zigbee技術(shù)的應(yīng)用前景非常好。zigbee在未來的幾年里將在工業(yè)無線定位、工業(yè)控制、消費(fèi)電子、汽車自動(dòng)化、家庭網(wǎng)絡(luò)、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制等多個(gè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，特別是工業(yè)控制和家庭自動(dòng)化，將會(huì)成為今后zigbee芯片的主要應(yīng)用領(lǐng)域。通常符合以下條件之一的應(yīng)用，都可以考慮采用zigbee技術(shù)：（1）網(wǎng)點(diǎn)多：需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點(diǎn)多。（2）低傳輸量：要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大且要求數(shù)據(jù)成本低。（3）可靠性高：要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性、全性高。（4）體積?。涸O(shè)備體積很小，體積較大的充電電池或者電源模塊不便放置。（5）電池供電。（6）覆蓋量大：所需檢測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，地形復(fù)雜，需

23、要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積。（7）現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)。（8）遙測(cè)、遙控系統(tǒng)：使用現(xiàn)存移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的低數(shù)據(jù)量傳輸。（9）局部區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)的定位系統(tǒng)：使用gps效果差、成本高的。zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)是基于ieee802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在壓力過程控制數(shù)據(jù)采集、流量過程控制數(shù)據(jù)采集、溫度濕度監(jiān)控、樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制、數(shù)據(jù)中心、社區(qū)安防、設(shè)備監(jiān)控、環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控、制冷監(jiān)控、倉庫貨物監(jiān)控等方面。適用于蔬菜大棚溫度、濕度和土壤酸堿度監(jiān)控，鋼鐵冶煉溫度控制，煤氣抄表等各個(gè)領(lǐng)域。這種網(wǎng)絡(luò)主要用于無線系統(tǒng)中短距離的連接，提供傳感器網(wǎng)絡(luò)接入，能夠滿足

24、各種傳感器的數(shù)據(jù)輸出和輸入控制的命令和信息的需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、無線化。zigbee技術(shù)是一種應(yīng)用于各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)，這種通信組網(wǎng)是基于中短距離范圍內(nèi)、低傳輸速率下的。根據(jù)zigbee技術(shù)的本質(zhì)，它具有下列特性：低功耗、高度擴(kuò)展性、可靠性高等。3.2.2 zigbee協(xié)議棧zigbee協(xié)議棧由一組子層組成，每一層為其上層提供一定的特定服務(wù)：一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個(gè)管理實(shí)體提供管理、維護(hù)等服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（sap）為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（sap）提供了一系列的基本服務(wù)指令來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。zigbee協(xié)議棧中包括應(yīng)以下各個(gè)子層：（1

25、）app（application programming）：應(yīng)用層目錄，這是用戶創(chuàng)建各種不同工程的區(qū)域，在這個(gè)目錄中包含了應(yīng)用層的內(nèi)容和這個(gè)項(xiàng)目的主要內(nèi)容，在協(xié)議棧里面一般是以操作系統(tǒng)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)的。（2）hal（hardware (h/w) abstraction layer）：硬件層目錄，包含有與硬件相關(guān)的配置和驅(qū)動(dòng)及操作函數(shù)。zigbee硬件層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個(gè)從mac層以硬件層無線信道的接口。在硬件層中，包含一個(gè)硬件層管理實(shí)體（plme），該實(shí)體通過調(diào)用硬件層的管理功能函數(shù)，為硬件層管理服務(wù)提供其接口，同時(shí)，還負(fù)責(zé)維護(hù)由硬件層所管理的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含有硬件層個(gè)域網(wǎng)絡(luò)

26、的基本信息。（3）mac：介質(zhì)接入控制子層，包含了mac 層的參數(shù)配置文件及其mac 的lib 庫的函數(shù)接口文件。實(shí)現(xiàn)的功能有：1、能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)。2、支持pan的連接和斷開連接。3、同信標(biāo)保持同步。4、在對(duì)等的mac實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。5、處理和維護(hù)gts機(jī)制。6、信道接入采用csma-ca接入機(jī)制。7、支持設(shè)備的安全性。介質(zhì)訪問控制層(mac)幀被稱為mac協(xié)議數(shù)據(jù)單元(mpdu)，其長度不超過127個(gè)字節(jié)。它具有四種不同的幀形式，即信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和命令幀。（4）mt（monitor test）：實(shí)現(xiàn)通過串口可控各層，與各層進(jìn)行直接交互。（5）nwk（zigbee ne

27、twork layer）：網(wǎng)絡(luò)層目錄，含網(wǎng)絡(luò)層配置參數(shù)文件及網(wǎng)絡(luò)層庫的函數(shù)接口文件，aps 層庫的函數(shù)接口。（6）osal（operating system (os) abstraction layer）：協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。（7）profile：af（application work） 層目錄，包含af 層處理函數(shù)文件。（8）security：安全層目錄，安全層處理函數(shù)，比如加密函數(shù)等。（9）services：地址處理函數(shù)目錄，包括著地址模式的定義及地址處理函數(shù)。（10）0tools：工程配置目錄，包括空間劃分及zstack 相關(guān)配置信息。（11）zdo（zigbee device objec

28、ts）：zdo 目錄。（12）zmac： mac 層目錄，包括mac 層參數(shù)配置及mac 層lib 庫函數(shù)回調(diào)處理函數(shù)。（13）zmain：主函數(shù)目錄，包括入口函數(shù)及硬件配置文件。（14）output：輸出文件目錄，這個(gè)ew8051 ide 自動(dòng)生成的。3.2.3 zigbee協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層zigbee網(wǎng)絡(luò)層必須提供一定的功能，其主要是提供一些必要的函數(shù)，以保證ieee 802.15.4-2003zigbee協(xié)議棧的mac層能夠正確操作，正常工作，并且為應(yīng)用層提供一個(gè)合適的服務(wù)接口。為了和應(yīng)用層通信，必須向其提供接口，網(wǎng)絡(luò)層的概念包括了兩個(gè)必要的功能服務(wù)實(shí)體。它們分別為數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體（nlde）和

29、管理服務(wù)實(shí)體（nlme）。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體（nlde）通過網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)接入點(diǎn)（nlde-sap）提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（nlme）通過網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)的管理庫服務(wù)接入點(diǎn)（nlme-sap）提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體來獲得一些網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)，并完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作。并且，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體還維護(hù)一個(gè)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫，叫做網(wǎng)絡(luò)信息庫（nib），網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫（nib）的維護(hù)和管理。3.2.4aodv路由協(xié)議aodv自組織按需請(qǐng)求型距離向量路由協(xié)議（ad hoc on demand distance vector,簡稱aodv），aodv采用的是逐跳轉(zhuǎn)

30、發(fā)分組方式，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間保存了路由請(qǐng)求和路由回答的結(jié)果，因此路由的頭部不需要攜帶完整的路由信息，從而提高了協(xié)議的效率。算法旨在多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中建立和維護(hù)一個(gè)自啟動(dòng)的，動(dòng)態(tài)的，多跳路由的專屬網(wǎng)絡(luò)。它是一種按需的改進(jìn)的距離向量路由協(xié)議，具有按需路由協(xié)議的特點(diǎn)即在aodv路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在需要進(jìn)行通信時(shí)才發(fā)送路由分組，而不會(huì)周期性地交互路由信息以得到所有其它主機(jī)的路由；同時(shí)具有距離向量路由協(xié)議的一些特點(diǎn)，即各節(jié)點(diǎn)路由表只維護(hù)本節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的路由，而無需掌握全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中連接的斷開和異動(dòng)都會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，aodv 使得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能適時(shí)對(duì)這種變化做出響應(yīng)。aodv 的操作是無自環(huán)

31、的，并且由于解決了 bellman-ford“無窮計(jì)數(shù)”的問題，使得該算法在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r(shí)能夠快速收斂。當(dāng)一個(gè)連接斷開時(shí)，aodv 會(huì)告知所有受到影響的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)會(huì)讓用到這個(gè)連接的路由失效。aodv 的一個(gè)顯著特點(diǎn)是它在每個(gè)路由表項(xiàng)上使用了目的序列號(hào)。目的序列號(hào)由目的節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建，并且被包含在路由信息中，然后這些路由信息將被回發(fā)到所有向它發(fā)起請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)。目的序列號(hào)的使用確保了無回環(huán)，并且易于編程。如果到一個(gè)目的有兩條路由可供選擇，那么收到請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)將會(huì)選擇序列號(hào)最大的那一條。此外，aodv另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是它加入了組播路由協(xié)議擴(kuò)展，并支持qos。它的缺點(diǎn)是：不支持單向信道，原因是aodv協(xié)議基

32、于雙向信道的假設(shè)工作，路由回答分組直接沿著路由請(qǐng)求的反方向回到源節(jié)點(diǎn)。3.3總體軟件結(jié)構(gòu)圖該溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由溫濕度探頭直接以iic接口進(jìn)行控制，并用cc2530 讀取溫濕度傳感器sht10的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將采樣到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換然后再lcd顯示。其中對(duì)溫濕度的讀取是利用cc2530的i/o（p1.0和p1.1）模擬一個(gè)類iic得過程，而使用的sht10 是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片。因此，可以將該過程劃分為三個(gè)子模塊：溫度數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、濕度數(shù)據(jù)采集模塊，其總體軟件結(jié)構(gòu)圖如圖1-3所示。電源模塊 溫度采集模塊 數(shù)據(jù)處理模塊 濕度處理模塊 圖1-3 總體軟件結(jié)構(gòu)圖3.4核心程

33、序代碼void main() int tempera; int humidity; char s16; uint8 adc0_value2; float num = 0;set_main_clock_source(crystal); / 設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘源為 32mhz 晶體振蕩器gui_init(); / gui 初始化gui_setcolor(1,0); / 顯示色為亮點(diǎn)，背景色為暗點(diǎn)gui_putstring5_7(25,6,"ours-cc2530"); /顯示 ours-cc2530gui_putstring5_7(10,22,"temp:");g

34、ui_putstring5_7(10,35,"humi:");gui_putstring5_7(10,48,"light:");lcm_refresh();while(1) th_read(&tempera,&humidity); /讀取溫度和濕度sprintf(s, (char*)"%d%d c", (int16)(int)tempera / 10),(int16)(int)tempera % 10); /將溫度結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符串 gui_putstring5_7(48,22,(char *)s); /顯示結(jié)果 lcm

35、_refresh();sprintf(s,(char*)"%d%d %",(int16)(int)humidity / 10),(int16)(int)humidity % 10); /將濕度結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符串 gui_putstring5_7(48,35,(char *)s); /顯示結(jié)果lcm_refresh();3.4.1 aodv協(xié)議源代碼分析1、void aodv:recv(packet *p, handler*) /判斷是否是aodv包，是則調(diào)用函數(shù)recvaodv(p)if(ch->ptype() = pt_aodv)  recvaod

36、v(p);/本節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，添加ip頭if(ih->saddr() = index) && (ch->num_forwards() = 0) add the ip header/收到本節(jié)點(diǎn)發(fā)送的包，說明有路由環(huán)路，丟包else if(ih->saddr() = index) drop(p, drop_rtr_route_loop);/本節(jié)點(diǎn)是中間節(jié)點(diǎn)else /ttl是分組最多能轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)   if(-ih->ttl_ = 0) drop(p, drop_rtr_ttl);/收到的不是廣播分組，解析分

37、組if ( (u_int32_t)ih->daddr() != ip_broadcast)    rt_resolve(p);/轉(zhuǎn)發(fā) else   forward(aodv_rt_entry*) 0, p, no_delay);2、void aodv:rt_resolve(packet *p) /查找是否有到目的節(jié)點(diǎn)的路由 rt = rtable.rt_lookup(ih->daddr();/沒有，則添加到該目的節(jié)點(diǎn)的路由，此時(shí)添加的路由是無效的 if(rt = 0)  &

38、#160;   rt = rtable.rt_add(ih->daddr();/有效路由，則根據(jù)路由表中信息轉(zhuǎn)發(fā)分組if(rt->rt_flags = rtf_up)   forward(rt, p, no_delay);/如果本節(jié)點(diǎn)是該分組的源節(jié)點(diǎn)，說明沒有到目的節(jié)點(diǎn)的路，此時(shí)發(fā)送rreq找路else if(ih->saddr() = index) rqueue.enque(p);   sendrequest(rt->rt_dst);/鏈路中斷，在維護(hù)中 else if (rt->rt_fla

39、gs = rtf_in_repair) rqueue.enque(p);/ 本節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，但是不知道該到目的節(jié)點(diǎn)的路，發(fā)送rerr說明鏈路中斷3、else   senderror(rerr, false);/添加到目的節(jié)點(diǎn)的路由，此時(shí)的路由不可用，是無效的aodv_rt_entry *rt = rtable.rt_lookup(dst);/不到發(fā)送rreq的時(shí)間，注意文件開頭的rreq定時(shí)器，若沒收到rrep，源節(jié)點(diǎn)需要定時(shí)發(fā)送rreqif (rt->rt_req_timeout > current_time)   packe

40、t:free(packet *)p);/aodv中多次發(fā)送rreq，多次發(fā)送rreq后仍找不到路，則丟包if (rt->rt_req_cnt > rreq_retries) rt->rt_req_timeout = current_time + max_rreq_timeout;     drop(buf_pkt, drop_rtr_no_route);/余下部分是填充路由表以及rreq分組的內(nèi)容，不涉及實(shí)現(xiàn)的話不用了解，了解有一定難度，需要結(jié)合整個(gè)過程看4、鏈路中斷，需要發(fā)送rerr，通知所有受影響的節(jié)點(diǎn)，函數(shù)體關(guān)于填充rerr內(nèi)容，

41、不用細(xì)看void aodv:senderror(packet *p, bool jitter) /5、周期發(fā)送hello分組，以檢測(cè)鄰節(jié)點(diǎn)的連通性void aodv:sendhello() /6、根據(jù)包類型調(diào)用不同函數(shù)void aodv:recvaodv(packet *p) / case aodvtype_rreq   recvrequest(p); case aodvtype_rrep:   recvreply(p);case aodvtype_rerr:   recverror(p); case a

42、odvtype_hello:    recvhello(p);7、收到rreqvoid aodv:recvrequest(packet *p) / i'm the source    - i recently heard this request.則丟棄該rreq   if(rq->rq_src = index)   packet:free(p); if (id_lookup(rq->rq_src, rq->rq_bcast_id)

43、0;  packet:free(p);/ * cache the broadcast id ，用于判斷是否已收到過該rreq   id_insert(rq->rq_src, rq->rq_bcast_id);/查找是否有到源節(jié)點(diǎn)的路由，有則更新，無則添加a /* find out whether any buffered packet can benefit from the * reverse route.緩存中是否有到源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組，有，則建立好路由后開始發(fā)送數(shù)據(jù) /查找是否有到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由，有則向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)r

44、rep，沒有則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該rreq，注意轉(zhuǎn)發(fā)前需要更新rreq中部分內(nèi)容8、void aodv:sendreply(nsaddr_t ipdst, u_int32_t hop_count, nsaddr_t rpdst, u_int32_t rpseq, u_int32_t lifetime, double timestamp) /填充rrep內(nèi)容9、void aodv:recvreply(packet *p) /查找是否有到目的節(jié)點(diǎn)的路由，沒有則建立，否則更新/如果是rrep的目的節(jié)點(diǎn)，即rreq的源節(jié)點(diǎn)則建立到目的節(jié)點(diǎn)的路；否則根據(jù)路由表中到源節(jié)點(diǎn)的路由（此路由在發(fā)送rreq過程中

45、已建立）轉(zhuǎn)發(fā)該rrep10、收到rerr，查看有哪些路徑受到中斷鏈路的影響，更新rerr內(nèi)容，并向受影響的節(jié)點(diǎn)發(fā)送該rerrvoid aodv:recverror(packet *p) 總結(jié)在本次嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)課程設(shè)計(jì)中，主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)基于cc2530的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)采用cc2530無線單片機(jī)進(jìn)行溫濕度的數(shù)據(jù)采集，并且結(jié)合zigbee協(xié)議架構(gòu)進(jìn)行編程的設(shè)計(jì)，主要是用c51實(shí)現(xiàn)基于cc2530的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，并在iar集成環(huán)境開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行基于zigbee架構(gòu)的編程，節(jié)點(diǎn)模塊的調(diào)試，最后，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。值得一說的是在這為期二周的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)課程設(shè)計(jì)中我們收獲了不少。我們不僅學(xué)習(xí)了如何使用cc2530讀取溫濕度傳感器sht10的溫濕度數(shù)據(jù)，而且了解了如何通過cc2530內(nèi)部的adc得到光照傳感器的數(shù)據(jù)。甚至也了解了一些無線傳感器的知識(shí)?？傊矣X得本次訓(xùn)練讓我了解了課本上不曾提到的知識(shí)。因此，這次課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練對(duì)將來從事這一方面工作的同學(xué)尤為重要，這等于讓我們提前對(duì)這方面的知識(shí)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。當(dāng)然，在這次訓(xùn)練過程中也遇到了很多實(shí)際問題，不過在老師的進(jìn)一步講解之后，我們逐步認(rèn)識(shí)和理解了其中的關(guān)鍵，而且又對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)有了升華。同時(shí)本次訓(xùn)練，也在一定方面加深了我對(duì)所學(xué)過的各種理論的認(rèn)識(shí)和理解，并在一定程度上掌握并